周培勇

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海200335）

0 引言

2021年3月15日，習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)委員會上提出2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，這是黨中央、國務(wù)院統(tǒng)籌國際國內(nèi)兩個大局做出的戰(zhàn)略決策，對加快促進生態(tài)文明建設(shè)、保障能源安全高效、推動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)必然伴隨著構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，由此引發(fā)如何提高新型電力系統(tǒng)的靈活性以應(yīng)對瞬時電力巨大需求的問題。抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用和黑啟動等“六大功能”和超大容量、系統(tǒng)友好、經(jīng)濟可靠、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢，可提高以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的靈活性，有效保障新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和提升新能源利用水平，是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是新能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵支撐。

1 關(guān)鍵水工建筑物平面位置與高程確定

抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)線路布置由上庫進/出水口、發(fā)電廠房、下庫進/出水口位置與高程、沿線地形地質(zhì)條件決定。

1.1 上下庫進/出水口

抽水蓄能電站進/出水口有井式進/出水口與側(cè)式進/出水口兩大類，井式進/出水口適用于上水庫，側(cè)式進/出水口適用于上下水庫[1]，側(cè)式進出水口應(yīng)用較為廣泛。

上下庫側(cè)式進/出水口的寬度由輸水隧洞凈間距與攔污柵段寬度較大值決定。為保證隧洞開挖后有足夠范圍的巖體作為巖體應(yīng)力重分布后的承載圈，相鄰隧洞間巖體的厚度不宜小于2倍洞徑。隧洞洞徑D由式（1）依據(jù)各隧洞經(jīng)濟流速擬定[2]，擬定引水隧洞與尾水隧洞洞徑后，便可確定輸水隧洞洞間距。攔污柵段最大過流寬度B，按過柵平均流速為0.8～1.0m/s由式（2）確定，B加上閘墩寬度即可得到進/出水口寬度，進而可求得由攔污柵寬度決定的隧洞間距。最終取上述兩者中大值進行進/出水口平面布置，布置過程中還要復(fù)核進/出水口擴散段平面擴散角是否在25°～45°范圍內(nèi)，每孔流道平面擴散角是否小于10°，頂板擴散角是否在3°～5°范圍內(nèi)[3]。

式中：Qmax——輸水道最大引用流量，m3/s；v——輸水道經(jīng)濟流速，m/s；H——攔污柵段過流高度，m，取H=1.5D。

上下庫進/出水口的底板高程由水力條件要求的最小淹沒深度，地質(zhì)條件要求的洞頂最小覆蓋層厚度與泥沙淤積情況決定。最小淹沒深度S由式（3）計算[4]，底板高程H1由式（4）確定。為保證進洞安全，洞頂最小覆蓋層厚度（不含覆土與全風(fēng)化巖層厚度）為0.5～1倍洞徑或洞寬。最后復(fù)核上下庫進/出水口底板高程H1是否高于泥沙淤積高程，如H1低于泥沙淤積高程，則需要防沙、排沙設(shè)施，以防止推移質(zhì)進入水道。

式中：c——與進水口幾何形狀有關(guān)的系數(shù)，進水口設(shè)計良好和水流對稱時取0.55，邊界復(fù)雜和側(cè)向水流時取0.73；v——閘孔斷面流速，m/s；d——閘孔高度，m，一般取d=D；H0——上下水庫死水位，m。

1.2 地下廠房

抽水蓄能電站廠房可分為地下式、地面式和半地下式[2]。由于抽水蓄能電站吸出高度常在-20～-90m，甚至更低，導(dǎo)致水泵水輪機安裝高程低。地下廠房結(jié)構(gòu)由于其不直接承受下游水壓力作用，可避免因廠房結(jié)構(gòu)淹沒深度大帶來的整體穩(wěn)定性差、擋水結(jié)構(gòu)承受荷載大、進廠交通布置困難等問題，在抽水蓄能電站中采用較廣泛，在地形地質(zhì)條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮采用。

抽水蓄能電站地下廠房位置按在輸水系統(tǒng)中的位置分為首部式、中部式和尾部式3種布置[5]。當(dāng)引水系統(tǒng)采用鋼筋混凝土襯砌型式時，由于尾水隧洞直徑一般比引水隧洞大，首、中、尾3個方案的地下廠房布置中，尾部方案輸水發(fā)電系統(tǒng)的工程投資一般最小，尾部開發(fā)優(yōu)勢明顯。當(dāng)引水系統(tǒng)采用鋼襯方案時，引水鋼襯段投資最大，地下廠房采用何種布置方式，還需結(jié)合地形地質(zhì)條件、調(diào)壓室數(shù)量、交通洞和施工支洞布置難度、長度等因素綜合分析確定。

地下廠房軸線需結(jié)合圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、巖石強度應(yīng)力比、地應(yīng)力方位等綜合分析確定。依據(jù)下水庫水位與水泵水輪機吸出高度要求，確定機組安裝高程后，地下廠房相關(guān)高程便可逐一確定，進而可進一步確定引水道末端與尾水道起點高程。

2 輸水道平縱布置

上下庫進/出水口、地下廠房的平面位置與相關(guān)高程確定后，便可基本確定輸水系統(tǒng)的平面布置與縱斷面布置。

2.1 輸水道布置

鋼筋混凝土襯砌，當(dāng)內(nèi)水壓力超過100m后，襯砌裂縫便已產(chǎn)生，襯砌只起平整水流減少糙率的作用，鋼筋混凝土襯砌高內(nèi)水壓力作用下的抗?jié)B、防滲和滲透穩(wěn)定問題關(guān)鍵在于圍巖，圍巖要滿足最小地應(yīng)力準(zhǔn)則、最小覆蓋層厚度準(zhǔn)則和滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則[6]。

1）三大準(zhǔn)則：最小地應(yīng)力準(zhǔn)則是圍巖承載的核心，是對圍巖承載能力的定量判斷；最小覆蓋層厚度準(zhǔn)則是對最小地應(yīng)力準(zhǔn)則的經(jīng)驗判斷；圍巖滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則是對最小地應(yīng)力準(zhǔn)則的補充完善，Ⅰ～Ⅱ類硬質(zhì)圍巖長期穩(wěn)定滲透水力梯度不大于10～15。

2）混凝土襯砌水道與鋼襯水道布置要點：輸水道平縱布置與隧洞采用鋼筋混凝土襯砌還是鋼襯方案有關(guān)。鋼筋混凝土襯砌隧洞圍巖是主要承載體，為滿足上述三大準(zhǔn)則要求，鋼筋混凝土襯砌隧洞在洞線布置時盡量將輸水線路埋深，洞線走向基本沿山脊布置。依據(jù)三大準(zhǔn)則確定圍巖能安全承載的極限位置，確定為鋼筋混凝土襯砌末端后，以此作為鋼襯起點。鋼襯方案是靠鋼襯防滲，布置時可不考慮三大準(zhǔn)則要求，洞線布置在兼顧地下廠房位置的基礎(chǔ)上需盡量順直，以縮短洞線長度。

為解決控制地下廠房滲流量與壓力鋼管造價這一安全經(jīng)濟矛盾問題，地下廠房前鋼襯長度滿足不小于0.25倍最大靜水頭要求下，應(yīng)盡量縮短承擔(dān)高內(nèi)水壓力下平段的長度，以減少工程投資。尾水支管上方一般是主副廠房、母線洞與主變洞等地下洞室群，對于下水庫高水位工況，支管承擔(dān)近百米水頭，為防止尾水支管內(nèi)水外滲影響地下廠房內(nèi)部機電設(shè)備運行，一般尾水支管采用低強度鋼襯，鋼襯末端超過尾水閘洞中心線15～20m。

對于豎井方案或斜井方案，從減少輸水道長度和水損角度來說，斜井方案較優(yōu)，但當(dāng)L/H較小或覆蓋層厚度不夠，采用鋼襯又不經(jīng)濟時，可考慮采用豎井方案加大輸水道埋深，保證覆蓋層厚度。輸水道布置時需注意斜井段不能設(shè)平面拐彎，斜井角度通常在45°～60°范圍，以利于自重溜渣和襯砌施工臺車穩(wěn)定。

3）輸水道與地下廠房交接處布置難點：從隧洞圍巖穩(wěn)定的角度來說，低地應(yīng)力區(qū)洞線與巖層層面、主要構(gòu)造斷裂面及軟弱帶走向夾角不宜小于30°，地下廠房前后高地應(yīng)力地區(qū)輸水道洞線與最大水平主應(yīng)力方向宜一致或呈較小交角，而輸水道洞線與廠房長軸線斜交夾角最小為60°，這與地下廠房長軸線與巖體最大主應(yīng)力方位夾角不宜大于30°相矛盾。因此，巖石強度應(yīng)力比小于4的高地應(yīng)力地區(qū)，很難同時滿足地下廠房軸線、引水道下平段軸線、尾水支管軸線與最大主應(yīng)力夾角均較小的要求，這時應(yīng)先保證跨度較大的地下廠房長軸線與最大主應(yīng)力的夾角要求，再采用輸水道洞線斜交地下廠房的方式，盡量滿足輸水道洞線與最大應(yīng)力方向呈較小交角。非高地應(yīng)力地區(qū)，洞線與軟弱結(jié)構(gòu)面為大角度要求，輸水道布置與地下廠房布置這種矛盾問題不突出。

2.2 水力計算與輸水道布置復(fù)核

按上述原則進行輸水系統(tǒng)平面與立面布置后，依據(jù)規(guī)范進行發(fā)電工況、水泵工況輸水系統(tǒng)沿程水頭損失與局部水頭損失計算，控制發(fā)電工況總水頭損失百分率小于3%較為合理，計算水泵水輪機最大揚程與最小水頭變幅比Hpmax/Htmin，依據(jù)圖1進行水頭變幅比復(fù)核。

圖1 日立公司水泵水輪機Hpmax/Htmin使用限制曲線

1）水力計算對樞紐布置的影響。結(jié)合水泵水輪機比轉(zhuǎn)速、最大發(fā)電水頭或最大揚程分析變幅比Hpmax/Htmin是否在合理范圍內(nèi)，如Hpmax/Htmin不在合理范圍內(nèi)，則需調(diào)整上下庫特征水位或調(diào)整輸水系統(tǒng)布置。調(diào)整上下庫特性水位對Hpmax/Htmin變化比較明顯，比較容易保證變幅比Hpmax/Htmin在合理范圍內(nèi)，但調(diào)整特征水位涉及到上下水庫大壩的設(shè)計調(diào)整，工作量較大。因此，規(guī)劃提出上下庫特征水位后，引水專業(yè)結(jié)合壩工廠房的初步布置，需盡快完成輸水系統(tǒng)布置與水損計算，待引水確定變幅比Hpmax/Htmin在合理范圍后，壩工再進一步依據(jù)特征水位進行上下水庫大壩設(shè)計，這樣可避免因Hpmax/Htmin不在合理范圍內(nèi)調(diào)整特征水位導(dǎo)致的上下庫大壩設(shè)計調(diào)整。

另一方面，可通過調(diào)整輸水系統(tǒng)布置，改變輸水道管徑來調(diào)整水頭損失，但上下庫進/出水口、地下廠房位置固定后，輸水道長度也基本固定，通過調(diào)整輸水系統(tǒng)布置對水損影響不大，變幅比Hpmax/Htmin變化不是很明顯。輸水道管徑依據(jù)經(jīng)濟流速擬定，經(jīng)濟流速變化范圍小，因此，通過改變輸水道管徑對水損與Hpmax/Htmin的變化也不是很明顯。綜合分析認(rèn)為，當(dāng)變幅比Hpmax/Htmin與合理范圍相差較大時，調(diào)整上下庫特征水位比較合理，反之，調(diào)整輸水系統(tǒng)布置或輸水道洞徑比較合理。

2）調(diào)保計算與輸水道布置復(fù)核。依據(jù)水損計算成果與規(guī)范進行調(diào)保計算[7]，確定上游調(diào)壓室最高最低涌浪，以保證調(diào)壓室下部輸水道洞頂高程低于最低涌浪水位不小于4m（安全高度3m，安全水深1m），輸水道全線頂高程至少有2m水壓，初步復(fù)核輸水道縱斷面布置的合理性，以防止隧洞出現(xiàn)負(fù)壓。尾水調(diào)壓室計算基本原理與計算公式均與上游調(diào)壓室相同，但需注意規(guī)范中Zmax符號含義不同：對上游調(diào)壓室，涌浪向下為正，向上為負(fù)；對尾水調(diào)壓室，涌浪向下為負(fù)，向上為正。

當(dāng)有條件得到水泵水輪機特性曲線資料或類似水泵水輪機特性曲線時，應(yīng)結(jié)合水損計算結(jié)果進行水力機械過渡過程計算，輸水道最小水壓力應(yīng)重點關(guān)注引水道上彎點、尾水道上彎點的最小壓力不小于2m，如不滿足要求，可通過加大引水道上平段或尾水道上平段底坡（最大不超過10%），縮短上平段長度，降低上彎點高程，使上彎點最小壓力大于2m。

3 結(jié)論

1）高地應(yīng)力地區(qū)，輸水道與地下廠房交接處，隧洞軸線與地下廠房長軸線難以同時滿足與最大水平主應(yīng)力成小角度（小于30°）的要求，應(yīng)先保證地下廠房長軸線的要求。

2）鋼筋混凝土襯砌隧洞圍巖是主要承載體，洞線布置時盡量將輸水線路埋深滿足“三大準(zhǔn)則”要求；鋼襯方案是靠鋼襯防滲，考慮地下廠房防滲后應(yīng)盡量短順直。

3）輸水系統(tǒng)水力學(xué)計算涉及到判斷水泵水輪機變幅比Hpmax/Htmin是否合理、上下庫特征水位選取是否合理、輸水系統(tǒng)布置及洞徑選擇是否合理，也是后續(xù)調(diào)保計算與水力機械過渡過程計算的基礎(chǔ)，設(shè)計過程中應(yīng)重點關(guān)注。